河南省及邻区主要活动断裂的深部构造特征

时间：2024-09-03

徐志萍张扬杨利普徐顺强姜磊唐淋林吉焱

1)中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002 2)中国地震局地质研究所，北京，100029 3)河南省地震局，郑州 450016 4)四川省地震局，成都 610041

0 引言

河南省位于中国中部，区域内新构造运动的形式主要包括差异隆起和凹陷沉降。依据河南省新构造活动的特点，王志铄(2017)划分了河南省的新构造分区(图 1)。河南省内有5个一级构造单元，19个二级构造单元；以新乡-商丘断裂为界，河南省北部的山西隆起区、北华北坳陷区和鲁西隆起区以NE向构造为主，南部以NW、 NWW、 EW向构造为主。

图 1 河南省新构造分区图(据王志铄(2017)修改)Fig. 1 Neotectonic zoning map of Henan Province(adapted after WANG Zhi-shuo et al.，2017).蓝色实线为省界，红色圆点为历史地震震中，红色实线为人工地震测线，黑色实线为构造单元边界。Ⅰ 山西隆起区； Ⅰ1太行山隆起； Ⅰ2汾渭断陷带； Ⅱ 北华北坳陷区； Ⅱ1汤阴地堑； Ⅱ2内黄隆起； Ⅱ3东濮凹陷； Ⅲ 鲁西隆起区； Ⅲ1鲁西南过渡区； Ⅳ 南华北坳陷区； Ⅳ1济源-开封凹陷； Ⅳ2太康隆起； Ⅳ3周口凹陷； Ⅳ4西平-平舆凸起； Ⅳ5驻马店-淮滨凹陷； Ⅳ6潢川凹陷； Ⅴ 豫西差异隆起区； Ⅴ1洛阳凹陷； Ⅴ2嵩山隆起； Ⅴ3伏牛山凸起； Ⅵ 秦岭-大别隆起区； Ⅵ1北秦岭强烈断隆区； Ⅵ2两郧断块掀升区； Ⅵ3南襄凹陷； Ⅵ4桐柏-大别隆起区。AA′ 菏泽—林县—长治剖面； BB′ 郑州—济南剖面； CC′ 诸城—宜川剖面

河南省内多个一级构造单元交会，广泛发育不同走向的断裂构造，既有NE向展布的太行山山前断裂和聊兰断裂，也有NWW向展布的商丹断裂和铁炉子-栾川-南召断裂，为河南省强震的孕育和发生提供了深部构造背景。河南省地震局在系统吸收利用石油、煤田等行业地震勘探资料的基础上，编制了《河南省地震构造图》(1)http： ∥www.hendzj. gov.cn/index.php？show=126-1848。。在河南省及邻区内共探测到48条断裂，其中省内41条，邻区7条，均为规模较大、活动性较强或发生过历史强震的断裂(王志铄，2017)。但受石油、煤炭等行业地震勘探资料本身限制，王志铄(2017)仅对断裂的浅部构造特征进行了梳理，而中国大陆东部地区的地震平均深度为(13±6)km。因此，要切实摸清地震灾害风险、认识河南省深部孕震环境，需要对这些断裂的深部构造特征开展进一步的系统性研究。

近几十年来，中国地震局地球物理勘探中心在河南省及邻区地震活跃且有深大断裂分布的地区布设了3条人工地震宽角反射/折射剖面(图 1)和1条深地震反射剖面，并开展了地壳深部结构与构造特征研究(张成科等，1994；任青芳等，1998；赵金仁等，1999；李松林等，2011；刘保金等，2012)，在获得剖面下方地壳速度结构、界面信息的同时，对深大断裂和强震区深部的孕震环境进行了分析。但受观测手段所限，这些剖面仅能反映测线下方断裂的深部展布特征。为解决这一问题，近年来，一些学者采用小波多尺度分析方法对平面重磁异常资料进行位场分离，以研究区域内断裂的空间展布特征，并取得了较好的效果(杨宇山等，2003；杜晓娟等，2009；路晓翠等，2012；吴咏敬等，2012，徐志萍等，2015)。因此，本文拟基于河南省及其邻区1︰20万、 1︰50万高精度布格重力异常资料，采用小波多尺度分析方法获得不同深度的地质体重力异常场特征，在结合已有的石油、煤炭、地质、地球物理探测成果的基础上，对可通过重力资料识别的河南省内主要活动断裂的空间展布特征进行研究和系统梳理，为该区的地震灾害风险评估提供地球物理学依据。

1 数据与方法

1.1 资料来源

以“河南省地震构造探查工程”项目为依托，笔者自全国地质资料馆(2)https： ∥www.ng ac.cn/125cms/c/qggnew/index.htm。收集了河南省及其邻区的重力资料，数据情况如表1 所示。对比例尺为1︰10万、 1︰20万、 1︰50万的重力数据进行拼接，经重采样、插值处理后得到相当于1︰20万的平面布格重力异常数据，该重力异常数据是已经过各项改正的布格异常，数据精度满足相关的重力勘探技术规程要求。使用WGS84坐标系，资料范围为(31°～36.5°N，101°～107°E)。

表 1 重力数据收集情况一览表Table1 Summary of gravity data collection

1.2 方法简介

小波多尺度分析方法是目前发展比较成熟的数据处理方法，前人针对该方法在重力异常处理中的应用已做过很多探索和研究(侯遵泽等，1997；杨文采等，2001；方盛明等，2002)。该方法可对不同空间尺度的重力异常场进行分析，不同阶次的小波细节是对不同深度地质异常体的反映(秦前清等，1994)。下文将简述小波多尺度分析方法的原理。

φ(x，y)=φ(x)·φ(y)

(1)

小波函数为

ψh(x，y)=ψ(x)·φ(y)

ψv(x，y)=φ(x)·ψ(y)

ψd(x，y)=ψ(x)·ψ(y)

(2)

(3)

式中：

(4)

而：

(5)

对于二维重力异常场，4阶小波多尺度分解为

(6)

Δg(x)=A4G+D4G+D3G+D2G+D1G

(7)

其中，G=f(x，y)，A4G是小波变换4阶逼近部分，DjG(水平、垂直和对角线方向3个细节部分之和)是第j=1～4 阶小波变换的高频细节部分。实际进行小波分析时，还需要选择小波基，本文使用的是具有正交性、紧支撑性、对称性且可进行离散小波分析的db小波。

根据式(6)，高阶小波的细节由低阶小波的逼近经过再次分解得到，小波细节阶次越低，其包含的高频信号越多。已有研究结果表明，低阶小波细节代表浅部地质体引起的重力异常场，随着阶数的增加，小波细节代表的地质体越深，对应阶数的小波逼近则代表区域重力异常场特征(侯遵泽等，1997；杨文采等，2001；方盛明等，2002)。

为获得不同阶次小波细节代表的地质异常体深度，我们利用功率谱分析法计算各阶细节对应的似场源深度(李成立等，1998)：

lnR0(s)≈B-2sh

(8)

式中，s=(u2+v2)1/2，u、v分别为X、Y方向的圆频率，lnR0(s)≈lnP0(s)+2lns，lnP0(s)是场源的功率谱对数，h是似场源深度，B是与地质体几何尺寸、物性有关的常数。由式(8)即可得到不同尺度小波结果所对应的似场源深度。使用时，首先对式(7)中的DjG(即二维重力异常场的小波细节)进行二维傅里叶变换，绘制波数-对数功率谱曲线，并绘制一条直线来拟合该曲线，根据这条直线的斜率，通过式(8)即可计算出场源的似深度。

本文使用中国地质大学(武汉)刘天佑等开发的重磁勘探软件系统(GMS4.0)对河南省及其邻区的布格重力场进行小波多尺度分解(图 2)，并计算各阶细节的似场源深度。在分析不同阶次小波细节的重力异常场分布特征的基础上，根据重力异常断裂识别标志，对河南省及邻区已探明的48条主要活动断裂进行识别，并给出所识别断裂的空间展布特征，尤其是断裂的下延深度。

图 2 河南省及其邻区布格重力异常小波多尺度分解及断裂分析结果Fig. 2 Results of analysis on wavelet multiscale decomposition of Bouguer gravity anomalies and faultsin Henan Province and its adjacent areas.a 1阶小波细节； b 2阶小波细节； c 3阶小波细节； d 4阶小波细节。蓝色实线为省界，灰色圆点为历史地震，黑色粗虚线为推测断裂，黑色细线为构造单元边界。Ⅰ 山西隆起区； Ⅰ1太行山隆起； Ⅰ2汾渭断陷带； Ⅱ 北华北坳陷区； Ⅱ1汤阴地堑； Ⅱ2内黄隆起； Ⅱ3东濮凹陷； Ⅲ 鲁西隆起区； Ⅲ1鲁西南过渡区； Ⅳ 南华北坳陷区； Ⅳ1济源-开封凹陷； Ⅳ2 太康隆起； Ⅳ3周口凹陷； Ⅳ4西平-平舆凸起； Ⅳ5驻马店-淮滨凹陷； Ⅳ6潢川凹陷； Ⅴ 豫西差异隆起区； Ⅴ1洛阳凹陷； Ⅴ2嵩山隆起； Ⅴ3伏牛山凸起； Ⅵ 秦岭-大别隆起区； Ⅵ1北秦岭强烈断隆区； Ⅵ2两郧断块掀升区； Ⅵ3南襄凹陷； Ⅵ4桐柏-大别隆起区。1 偃师西南地震； 2 南阳地震； 3 卫辉东地震； 4 濮城地震； 5 许昌东地震； 6 许昌张潘店一带地震； 7 卫辉西地震。F1林州断裂； F2薄壁断裂； F3汤西断裂； F4汤东断裂； F5长垣断裂； F6黄河断裂； F7聊兰断裂； F8安阳南断裂； F9新乡-商丘断裂； F10盘谷寺-新乡断裂； F13封门口-五指岭断裂； F14新郑-太康断裂； F15登封-西华断裂； F16汝州北断裂； F17 襄城-商水断裂； F19白鹤-石陵断裂； F20温塘断裂； F21洛阳-偃师断裂； F22洛河断裂； F23伊川断裂； F24铁炉子-栾川-南召断裂； F25朱夏断裂； F26商丹断裂； F27山阳-内乡断裂； F28新野断裂； F29南阳-方城断裂； F30鲁山-漯河断裂； F31林颖-郸城断裂； F32新桥-太和断裂； F33驻马店-息县断裂； F34明港-息县断裂； F35龟山-梅山断裂； F39 商城-团凤断裂； F40中条山北麓断裂； F41华山山前断裂； F43 磁县-大名断裂； F44 菏泽断裂； F45 曹县断裂

2 重力异常小波多尺度分析

图 2 为研究区的布格重力异常小波多尺度分解结果。我们以新乡-商丘断裂为界将河南省分为豫北和豫南地区，分析不同空间尺度的重力异常场特征。

图 2a 为布格重力异常的1阶细节，表征地壳深度为2～4km的重力异常场特征，可反映浅部不均匀分布的地质密度异常体。在豫北地区，重力异常在北华北坳陷区内以NNE向线性异常为主，与区域构造的走向一致，且自西向东高、低重力异常条带交替出现，分别对应太行山隆起、汤阴地堑、内黄隆起和东濮凹陷等二级构造单元。在豫南地区，位于河南省西部的豫西差异隆起区以近EW向线性异常为主，河南西南部的秦岭-大别造山带以NW向线性异常为主，与不同构造单元线的走向一致。

图 2b 为布格重力异常2阶小波细节，反映地壳深度为6～8km的重力异常场特征。与 1阶小波细节相比，重力异常等值线圈闭的范围增加，小尺度重力异常消失或相连，且表现出明显的方向性。低重力异常区与巨厚沉积的凹陷或地堑相对应，高重力异常区则是地层隆起的反映。在豫北地区，太行山内部的基岩出露区为高重力异常区，且等值线圈闭，呈NNE向展布，与太行山走向一致。北华北坳陷区内自西向东重力异常表现为“两低夹一高”的特征，其中汤阴地堑和东濮凹陷对应低重力异常，内黄隆起对应高重力异常，反映了EW向的地壳密度结构差异。在豫南地区，南华北坳陷区以中等重力异常为主，在二级构造单元的局部地区出现高、低相间的近EW向或NWW向重力异常条带，如济源-开封凹陷呈低重力异常、平顶山—漯河及其附近区域出现NWW向重力异常条带、驻马店—信阳出现NWW向重力异常条带及周口凹陷东部出现近EW向重力异常条带。受秦岭-大别隆起区向N的挤压作用影响，在河南省西部和南部形成一系列NWW向或近EW向逆冲推覆构造带，在上地壳浅部表现为与区域构造走向和断裂走向一致的重力异常条带，如洛阳凹陷的低重力异常圈闭与其周围高重力异常梯度带就是控盆断裂——伊河断裂和洛河断裂的反映。在三门峡西北部的中条山隆起为高重力异常区，其南、北两侧的运城盆地和灵宝盆地为低重力异常区，重力梯级带则是中条山北麓断裂和南麓断裂的反映。秦岭-大别隆起区的重力异常等值线形成多个近NW向高、低相间的重力异常条带，且在EW向分为多个二级构造单元，可概括为“南北分带，东西分块”的特征。

图 2c 为布格重力异常3阶小波细节，反映地壳深度为14km的重力异常场特征。高、低重力异常条带走向与区域构造走向一致，与二级构造单元对应较好。

图 2d 为布格重力异常4阶小波细节，反映地壳深度约27km的重力异常场特征，重力异常走向与区域构造走向一致的区域多位于一级构造单元的边界地区。除桐柏-大别隆起区的NW向低重力异常、太行山隆起的NNE向重力异常和东濮凹陷的NE向重力异常外，其余地区为团状重力异常特征，反映地壳深、浅部密度结构、不同深度受到的区域构造应力作用及形成过程存在差异。

综合上述分析认为，研究区在地壳14km以浅，区域构造活动对重力异常等值线的走向具有明显的控制作用：在豫北地区，NE向重力异常条带与区域构造单元边界线和断裂的走向一致，地壳密度存在横向差异；在豫南地区，南华北坳陷区和秦岭-大别隆起区的重力异常走向以NW、 NWW、 EW向为主，而豫西差异隆起区受区域构造活动及不同方向应力场的影响，则以NE向重力异常为主。在下地壳27km深度处，重力异常的走向与区域构造的一致性减小，反映了地壳不同深度受到的区域构造应力作用及形成过程存在差异。尤其是在南华北坳陷区布格重力异常的1、 2阶小波细节中(图2a，b)，上地壳8km以浅表现为一系列NW向、近EW向的重力异常；在3阶小波细节中(图2c)，以临颍-郸城断裂(F31)为界，北部为NE向重力异常，南部为NW向重力异常； 4阶小波细节中(图2d)，以平顶山、漯河为界，北部为NE向重力异常，南部为NW向重力异常。这一现象表明，南华北坳陷区地壳不同深度处受到的来自秦岭-大别隆起的N向挤压作用存在差异，且由浅到深逐渐减小，自上地壳底部14km开始，秦岭-大别隆起与南华北坳陷深部的接触边界向S移动，大致在平顶山、漯河一线附近。

3 断裂分析

3.1 断裂解译

本文基于小波多尺度分解及断裂分析结果(图 2)，根据重力异常断裂识别标志，共识别出河南省及邻区已探明的48条主要活动断裂中的38条，其中位于上地壳内8km以浅的断裂有10条；位于上地壳内深度为12～14km的断裂有15条；位于下地壳内深度约为27km的断裂有13条，解译结果如表2 所示(表2 中断裂的倾向及性质参考文献(王志铄，2017))。

表 2 河南省及其邻区主要断裂的解译表Table2 Interpretation result of main faults in Henan Province and its adjacent areas

3.2 深大断裂构造特征分析

为研究河南省主要活动断裂的深部构造特征及其与区域地震活动、构造的关系，我们选取了部分位于河南省内一、二级构造单元边界的区域深大断裂开展进一步研究。

3.2.1 汤西断裂(F3)

该断裂是汤阴地堑的西边界断裂，走向NE。其在1～4阶小波细节中表现为重力异常的线性过渡带特征，下延深度达27km，与徐志萍等(2015)得到的结果基本一致。根据已有的地质成果，断裂附近新近纪或第四纪早期有岩浆侵入和喷出活动，其物质来源的深度约为100km，其西侧的高重力可能由岩浆岩活动引起，且具有高密度、高速度特征。已有的研究结果表明，汤西断裂的最新活动年代为中更新世，且断裂南段的活动强度较高(徐增波等，2019；于鸿坤等，2019；戴骜鹏等，2020；朱国军等，2020)，错断较深，倾角较陡，有延伸到中地壳底部的趋势(莘海亮等，2014)，断裂下方地壳深度15km以下分布有低速层(张成科等，1994；任青芳等，1998；赵金仁等，1999；李松林等，2011)。综上所述，汤西断裂是中更新世活动断裂，是重力异常的线性过渡带和地壳速度变化梯度带，且有壳内低速层分布，下延深度达27km，是一条控制太行山隆起和华北平原的分界断裂。

3.2.2 聊兰断裂(F7)

聊兰断裂位于东濮凹陷的东侧，是北华北坳陷区和鲁西隆起区的分界断裂，走向NNE。其在1～4阶小波细节中为重力异常的线性过渡带，下延深度达27km以上。该断裂带曾发生过3次6级以上地震，活动性南强北弱，中段为晚更新世早期活动断裂(孙杰等，2020)，南段的最新活动时代为全新世早期(向宏发等，2000a，b)。综合分析认为，聊兰断裂具有明显的分段特征，且中南段为活动断裂，是重力异常线性过渡带，下延深度达27km，是一条隐伏的控制一级构造单元边界的深大断裂。

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3.2.3 新乡-商丘断裂(F9)

该断裂走向NWW，是北华北坳陷区和南华北坳陷区的分界断裂。断裂两侧重力异常的走向明显不同，下延深度约27km。该断裂北侧为NNE和NE向高、低重力异常条带，南侧为近EW向和NE向重力异常条带。已有结果表明，新乡-商丘断裂延津段为隐伏的晚更新世早期活动断裂(侯江飞等，2021；张扬等，2021)，切割深度可能超过10km(高景宏等，2010；赵建粮等，2010)。该断裂带地震活动较为频繁，历史上曾发生过卫辉东6.0级地震(公元344年)、封丘5级地震(公元1737年)、新乡4.5级地震(1978年)和虞城6.0级地震(公元466年)等(王志铄，2017)。分析认为新乡-商丘断裂西段为晚更新世早期活动断裂，是不同重力异常特征的分界线，是一条隐伏的控制一级构造单元边界的深大断裂。

3.2.4 铁炉子-栾川-南召断裂(F24)

该断裂走向NWW，由陕西省境内的铁炉子-三要断裂及河南省境内的栾川-南召-确山断裂组成，为华北地台和秦岭褶皱系之间的分界断裂。在1～4阶小波细节中，栾川-南召-确山断裂的卢氏—栾川段位于线性低重力异常带上，栾川—确山段位于高、低重力异常线性过渡带上，是豫西差异隆起和秦岭-大别隆起区的分界断裂，下延深度>27km，表明该断裂不仅有明显的分段性，且两侧物性差异也较大。

3.2.5 朱夏断裂(F25)

该断裂走向NW，在1～4阶小波细节中表现为高、低重力异常线性过渡带特征，断裂南侧为高重力异常条带，其范围随着深度的增加而增大，北侧为低重力异常条带；综合分析认为，朱夏断裂两侧具有一定的物性差异，且下延深度较深，达27km，是一条深大断裂。

3.3 历史强震深部构造特征分析

河南省地震局给出的统计结果显示，河南省历史上曾发生过7次6级以上地震(3)http： ∥www.eqha.gov.cn/index.php？list=1。(表3)。中国大陆东部地区地震的平均深度为(13±6)km，我们将历史上6级以上地震投影到布格重力异常3阶小波细节图中，并分析其深部构造背景。

表 3 河南省6级以上历史地震Table3 Historical earthquakes of magnitude 6 or above in Henan Province

3.3.1 偃师西南6级地震

3.3.3 卫辉东6级地震

卫辉东6级地震发生在北华北坳陷区内黄隆起内，震中位于南、北2个高重力异常之间(图2c)。汤东断裂位于该地震震中的西侧，下延深度为15～16km，发育在上地壳底层(刘保金等，2012)。汤东断裂位于重力异常线性过渡带上，下延深度约为14km。分析认为，附近区域存在重力异常变化边界、密度横向变化带及大型活动断裂发育是卫辉东6级地震的深构造背景。

3.3.5 许昌东6级地震和许昌张潘店一带6级地震

许昌东和许昌张潘店一带6级地震发生在南华北坳陷区太康隆起和周口凹陷构造边界带两侧的低重力异常区内(图2c)。2个地震的震中附近发育登封-西华断裂(F15)，其为左旋走滑断裂，在1、 2阶小波细节中，该断裂的西段造成了2个重力异常轴的错断或扭曲，东段则表现为狭长的低重力异常条带(图2a)或重力异常线性过渡带(图2b)，下延深度为6～8km。分析认为，隆起与凹陷交接部位、低重力异常区及浅部有活动断裂发育是许昌东和许昌张潘店一带6级地震的深部构造背景。

3.3.6 卫辉西6级地震

卫辉西6级地震发生在南华北坳陷区的济源-开封凹陷内，震中位于NE向和EW向重力异常条带之间(图2c)。地震附近有3条不同走向的断裂交会，分别为NE向的汤西断裂(F3)、 NWW向的新乡-商丘断裂(F9)和近EW向的盘古寺-新乡断裂。其中，汤西断裂是汤阴地堑的西边界断裂，下延深度达27km；新乡-商丘断裂是南、北华北坳陷区的分界断裂，下延深度达27km；盘古寺-新乡断裂是太行山南麓的基底断裂，下延深度为27km。分析认为，不同走向的重力异常交会部位、壳内低密度异常区及深大断裂交会是卫辉西6级地震的深部构造背景。

综上所述，从空间分布看(图 1)，河南省6级以上历史地震主要分布在南、北华北坳陷区内，除许昌东和许昌张潘店一带6级地震位于二级构造单元边界带附近，其余地震均位于地壳内由深大断裂控制的次级隆起或凹陷下方。根据重力异常分析结果(图 2)可知，不同走向重力异常的交会部位、受深大断裂控制的壳内低重力异常区是地震发生的有利部位。